CC BY
411
Для корреспонденции
Демин Владимир Федорович - доктор технических наук, кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Курчатовского комплекса НБИКС-технологий ФГБУ «Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"»
Адрес: 123182, г. Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1 Телефон: (499) 196-52-22 E-mail: vfdemin_kiae@mail.ru
Анциферова А.А.1, Демин В.А.1, Демин В.Ф.1, Соловьев В.Ю.2
Ядерно-активационные аналитические методы и рентгенофлуоресцентный анализ в применении к определению токсичных элементов и микроэлементов в пищевых продуктах и характеристике биокинетики наночастиц
1 ФБГУ «Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"», Москва
2 ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России, Москва
1 National Research Center «Kurchatov Institute», Moscow
2 Burnasyan Federal Medical Biophysical Center of Federal Medical Biological Agency of Russian Federation, Moscow
Для обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов необходимо исследовать пути загрязняющих веществ, в том числе токсичных микроэлементов, на всех этапах обращения с ними, начиная от производства сельскохозяйственной продукции, включая ее переработку, хранение, транспортировку, и заканчивая приготовлением пищи и потреблением. Для этих исследований развиваются ядерно-активационные аналитические методы (ЯААМ) и рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) для определения химических элементов в разных средах. ЯААМ включают 2 стадии: ядерную активацию изотопов тепловыми нейтронами или быстрыми заряженными частицами и гамма-спектрометрию. РФА основан на методе детектирования флуоресцентного характеристического рентгеновского излучения элементов. Интерес к этим методам обусловлен относительной простотой анализа, возможностью обеспечить необходимую чувствительность и точность детектирования химических элементов. Основная цель работы - продемонстрировать возможности этих методов для контроля качества пищевых продуктов и исследования биокинетики микроэлементов в части достижения необходимой точности (не более 15%) и чувствительности (ниже допустимых концентраций токсичных элементов).
Для цитирования: Анциферова А.А., Демин В.А., Демин В.Ф., Соловьев В.Ю. Ядерно-активационные аналитические методы и рентгенофлуоресцентный анализ в применении к определению токсичных элементов и микроэлементов в пищевых продуктах и характеристике биокинетики наночастиц // Вопр. питания. 2017. Т. 86. № 5. С. 42-49. Статья поступила в редакцию 05.05.2017. Принята в печать 08.09.2017.
For citation: Antsiverova A.A., Demin V.A., Demin V.F., Soloviev V.Yu. Nuclear activation analytical methods and X-ray fluorescence analysis in application to determination of pollutants and trace elements in food and for studying biokinetics of nanoparticles. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2017; 86 (5): 42-9. (in Russian) Received 05.05.2017. Accepted for publication 08.09.2017.
Nuclear activation analytical methods and X-ray fluorescence analysis in application to determination of pollutants and trace elements in food and for studying biokinetics of nanoparticles
Antsiverova A.A.1, Demin V.A.1, Demin V.F.1, Soloviev V.Yu.2
Оба этих метода дополняют друг друга в плане расширения списка детектируемых химических элементов и выбора оптимального варианта анализа в зависимости от искомого элемента, вида исследуемого образца и готовности технических средств. Кроме анализа возможностей ЯААМ и РФА, два разных, но частично связанных варианта исследования были выполнены с использованием ЯААМ: 1) тестовые исследования содержания токсичных микроэлементов в образцах пищевых продуктов методом ЯААМ; 2) исследование биокинетики наночастиц (НЧ), поступающих с пищей и водой, у лабораторных животных с особым вниманием к преодолению биологических барьеров. Одним из важных результатов является демонстрация преодоления гематоэнцефалического барьера мозга НЧ серебра при их поступлении в организм животного с пищей или водой, возможности их накопления в мозге с чрезвычайно низкой скоростью экскреции (а6% в месяц).
Ключевые слова: безопасность, контроль качества пищевых продуктов, микроэлементы, наночастицы, ядерная активация, гамма-спектроскопия, рентгеновская флуоресценция, биокинетика
For assurance offood quality and safety, it is necessary to control routes offood pollutants, including toxic trace elements in all stages of handling, ranging from the production of agricultural products, including the processing, storage, transportation, and ending with cooking and consumption. For this control the nuclear activation analytical methods (NAAMs) and X-ray fluorescence analysis (XRFA) are studied and developed for the detection of chemical elements in different environments. NAAMs involve two stages: the activation of nuclear isotopes with thermal neutrons or fast charged particles and gamma spectrometry. XRFA technique is based on detecting characteristic fluorescent X-rays of elements. Interest in these methods is due to the relative simplicity of the analysis, the ability to provide the required sensitivity and accuracy of detection of chemical elements. The main objective of the research work is to demonstrate the potential of these techniques for controlling the quality and safety of food products and for research of trace elements' biokinetics with achieving the required accuracy (no worse than 15%) and sensitivity (below the permissible concentrations of harmful substances) and to prepare them for the practical application. Both methods complement each other in terms of expanding the list of detected chemical elements and choosing the best option in the analysis depending on the type of the test sample and readiness of technical means. In addition to the analysis of NAAMs and XRFA capabilities two different but partly connected research options were performed using NAAMs: 1) control of food quality and safety; 2) research of biokinetics of nanoparticles (NPs), incoming with food and water into laboratory animals with special attention to overcoming biological barriers. One of the important result is the demonstration of overcoming the blood/brain barrier by silver NPs when they are ingested into the animals with food or water, and possibility of their accumulation in brains with extremely low excretion («6% per month).
Keywords: safety, food quality control, trace elements, nanoparticles, nuclear activation, gamma spectroscopy, X-ray fluorescence, biokinetics
Для контроля качества и безопасности пищевых продуктов необходимы эффективные методы определения токсичных элементов, а также эссенциальных микроэлементов на всех стадиях обращения пищевых продуктов, начиная от сельскохозяйственного производства, переработки, хранения, транспортировки и заканчивая приготовлением пищи.
В настоящее время используются различные методы детектирования эссенциальных микроэлементов и загрязнителей физической, химической и биологической природы в пищевых продуктах и сельскохозяйственном сырье [1]:
• микроскопия и связанные с ней методы;
• атомно-эмиссионная и абсорбционная спектрометрия;
• масс-спектрометрия;
• ядерно-активационные аналитические методы (ЯААМ);
• рентгенофлуоресцентный анализ (РФА); и др.
Методы детектирования ЯААМ, развитие и применение которых имеет длительную и успешную историю [2-5], и РФА обладают рядом преимуществ в части чувствительности и точности измерений и могут рассматриваться как полезное дополнение к неядерным методам анализа, упомянутым выше.
Цель настоящей работы - путем теоретических расчетов и тестовых испытаний продемонстрировать возможность использования этих методов для контроля качества и безопасности пищевых продуктов и исследования биокинетики микроэлементов в части достижения необходимой точности (не более 15%) и чувстви-
тельности (ниже допустимых концентраций токсичных микроэлементов) и подготовить их к практическому применению.
Материал и методы
Ядерно-активационные аналитические методы детектирования
В настоящее время можно отметить несколько вариантов ЯААМ, каждый из которых имеет свою наиболее эффективную область применения. Основой этих методов является процедура детектирования гамма-излучения радиоактивных ядер, образующихся при облучении соответствующих ядер-мишеней исследуемого образца в потоке нейтронов или заряженных частиц. Следует отметить инструментальный нейтронный активацион-ный анализ (ИНАА) и инструментальный активационный анализ с использованием потока быстрых заряженных частиц (протонов и др.).
С помощью ЯААМ можно детектировать большое число различных элементов. Актуальными с позиции контроля качества и безопасности пищевых продуктов являются эссенциальные микроэлементы (Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Se, Mn), условно эссенциальные (Br, B, F, Li, Ni, V, Si) и токсичные элементы (Al, As, Cd, Pb, Sb, Hg, Be, Bi, Tl). Следует отметить: как правило, Ag относят к классу токсичных, а биологическая роль Ti до сих пор недостаточно ясна.
Активационный анализ включает 2 стадии: 1) активацию искомых химических элементов, содержащихся в образце, в потоке тепловых нейтронов или быстрых заряженных частиц (протонов и др.) с образованием радиоактивных гамма-излучающих изотопов с достаточно большим периодом полураспада (сутки и более); 2) гамма-спектрометрический анализ этих радиоизотопов и обработка его результатов. Вариант с активацией быстрыми заряженными частицами расширяет список детектируемых элементов или позволяет улучшить качество метода относительно элементов, для которых нейтронно-активированные изотопы имеют относительно малый период полураспада. При этом можно достичь хороших результатов детектирования таких элементов, как As, Au, V, Pb, Cu, Ti, Ca.
Инструментальный нейтронный активационный анализ
Метод ИНAA как вариант ЯААМ разработан несколько десятилетий назад в целях проведения биохимического и физико-химического анализа. Этот метод до настоящего времени является уникальным с позиции своей чувствительности и селективности. Его важными особенностями и преимуществами являются также простота подготовки проб, недеструктивный характер анализа (возможность повторного исследования образца), расширенная область применения в части определения значительного числа элементов в образцах различ-
ной природы, включая биологические среды, высокие надежность и точность, возможность измерения содержания непосредственно в объеме твердотельных проб. Содержание искомого элемента можно определить как в микро-, так и в макрообразцах размером до нескольких сантиметров по всем трем измерениям, что особенно важно при неоднородном содержании элемента. Можно исследовать биокинетику контролируемых веществ в организме лабораторных животных, включая биофильные элементы (например, цинк, селен), при моделировании их поступления из окружающей среды, в том числе с пищевыми продуктами. Имеется возможность использования заряженных частиц для активации искомых элементов, а также в одном сеансе ЯААМ определить несколько элементов.
Для достижения высокой точности измерений (5-15%), как правило, применяется относительная методика: наряду с объектом облучается стандартный образец (эталон) с известным содержанием искомого стабильного изотопа.
Современный высокий уровень ИНАА определяется возможностью использования мощных потоков нейтронов (1012-1015 н/см2с) исследовательских реакторов, сочетания различных версий методики, современных полупроводниковых детекторов высокого разрешения (<2 кэВ), стандартных образцов, современной измерительной и вычислительной техники, а также современной компьютерной технологии для обработки и интерпретации данных.
Активационный анализ имеет свои недостатки. С его помощью невозможно определить валентное состояние элемента, в частности решить проблему определения органических и неорганических форм микроэлементов; он требует использования сложной аппаратуры (например, ядерного реактора), работы с радиоактивными веществами, что определяет необходимость соблюдения особых требований техники безопасности и получения разрешения на работу.
Отбор, хранение и подготовку образцов для анализа проводили в соответствии с рекомендациями документа «Кодекс Алиментариус» по методам анализа и отбора проб и методическими указаниями МУ 1.2.2741-10 «Порядок отбора проб для выявления и идентификации наноматериалов в лабораторных животных».
Процедура подготовки образцов. Образцы пищевых продуктов в естественном или высушенном виде в количестве от десятых долей грамма до нескольких граммов упаковывали в пробирки типа Эппендорф. Образцы наночастиц (НЧ) приготавливали в виде водных суспензий и в этой форме также помещали в такие пробирки.
Несколько пробирок с образцами помещали в контейнер, изготовленный из чистого алюминия, который вставляется в канал исследовательского ядерного реактора для облучения нейтронами.
Для планирования всех этапов исследования, в частности для выбора интервалов времени на этапах нейтронного облучения и гамма-спектрометрического ана-
лиза, используется так называемый абсолютный метод. Это прямой теоретический расчет активации изучаемых элементов на основе данных относительно интенсивности потока нейтронов и ядерных характеристик первичных и активированных изотопов.
Инструментальный протонный активационный анализ
В силу особой значимости таких исследований была начата разработка методов детектирования нанома-териалов с содержанием титана. Они основаны на использовании активации титана быстрыми протонами с образованием радиоактивного ванадия 48У в реакциях (р; п, 2п, ...) на изотопах природного титана. Данная реакция имеет относительно высокие значения сечения активации в диапазоне энергии протонов 7-17 МэВ, достаточные, для того чтобы рассчитывать на получение удовлетворительных результатов по чувствительности детектирования титана методом ЯААМ. Радиоактивный изотоп 48У имеет достаточно длительный период полураспада (Т1/2 =15,98 сут) и гамма-линии 1,312 и 0,9835 МэВ с выходом одного фотона на каждый распад.
Наиболее серьезные проблемы применения ЯААМ с активацией заряженными частицами связано именно со стадией активации исследуемого элемента. Для того чтобы изучить возможность использования ЯААМ на быстрых заряженных частицах, проводился тестовый эксперимент на пучке протонов циклотрона в НИЦ «Курчатовский институт».
В этом эксперименте был использован порошок НЧ ТЮ2 в форме рутила («в1дта-А!с1г1сИ», США-Германия) -частично агрегированных палочковидных нанокристал-лов с диаметром 5-10 нм и длиной 40-50 нм.
После предварительного теоретического анализа был принят и реализован следующий сеанс экспозиции: облучению подвергался образец НЧ ТЮ2 массой 0,6 г в запаянной трубке из кварцевого стекла; время экспозиции - 28 мин при средней плотности потока частиц 1012 р/см2с.
После открытия трубки облученный порошок (0,58 г), содержащий радиоизотопы 48Ч растворяли в пробирке с 25 см3 дистиллированной воды. Полученную водную суспензию интенсивно перемешивали, и активность каждого ее 1 см3 составляла 29 кБк/см3. Эта водная суспензия была готова к изучению биокинетики НЧ ТЮ2.
Рентгенофлуоресцентный анализ
РФА - физический метод анализа, который позволяет напрямую определять в порошкообразных, твердых и жидких пробах почти все химические элементы периодической системы. С помощью РФА можно определять как очень низкие концентрации элементов на уровне мкг/кг, так и очень большие, вплоть до 100% без разбавления пробы. РФА прежде всего получил широкое распространение, в промышленности, а также в области научных исследований. Широкие возмож-
ности метода особенно полезны при крайне сложном анализе объектов окружающей среды, при контроле качества производства и при анализе сырья и готовой продукции [6].
Возможности РФА значительно расширяются при использовании синхротронного рентгеновского излучения - тормозного электромагнитного излучения электронов, движущихся по искривленной траектории. Его основным преимуществом является широкий энергетический спектр.
Особенности синхротронного излучения открывают следующие возможности для РФА: анализ образцов очень малого объема и малой массы (от 100 до 0,5 мг), значительное повышение пределов обнаружения (на 1-2 порядка, чем для РФА на рентгеновских трубках), проведение анализа с вариацией энергии возбуждающих квантов (от 0 до 40 кэВ).
К недостаткам способа следует отнести необходимость приготовления тонких образцов и более жесткие требования к измельчению материала и его однородности, а также то, что неразрушающие методы анализа, как правило, жестко привязаны к стандартным образцам (эталонам).
Список элементов, которые зможно детектировать с помощью РФА, достаточно широк: в, С1, Аг, К, Са, вс, Т1, V, Сг, Мп, Fe, Со, Ы1, Си, Zn, Ga, Ge, Ав, ве, Вг, Кг, ЯЬ, вг, ^ Zr, ЫЬ, Мо, Рс1, Ад, Сс1, 1п, вп, вЬ, Те, I, Св, Ва, 1_а, Се, Та, W, Аи, Нд, Т1, РЬ, В1.
Проведен тестовый эксперимент по обнаружению НЧ в биологических пробах методом РФА с использованием синхротронного рентгеновского излучения от Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения в ФГБУ «Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"».
Результаты и обсуждение
Исследования с использованием ЯААМ и РФА выполняются по двум разным направлениям: 1) контроль качества и безопасности пищевых продуктов путем разработки и использования эффективных методов детектирования микроэлементов; 2) исследования биокинетики микроэлементов, в том числе в нанораз-мерном физико-химическом виде, при их перораль-ном поступлении в организм лабораторных животных с особым вниманием к преодолению биологических барьеров.
Применение ядерно-активационных аналитических методов к контролю пищевых продуктов
Результаты ИНАА представляются в терминах активности изучаемого радиоактивного изотопа со стандартной инструментальной среднеквадратичной ошибкой. Метод расчета этой ошибки в методе ИНАА с использованием сравнения со стандартными образцами описан в [5]. Для получения достоверного результата измерения
изучаемого содержания элементов в исследованных средах процедуру измерения проводят для не менее чем 4 одинаковых образцов.
Результаты определения содержания элементов Ав, Ад, Бе, Сс1 и др. в образцах пищевых продуктов (картофель, молочные продукты, крупы, хлеб и др.), отобранных в центральных областях европейской части России, с использованием ЯААМ приведены в табл. 1 и 2. Наряду с полученными нами результатами представлены результаты исследований, проведенных ранее группой авторов с использованием атомной спектрометрии и ИНАА [4].
Поскольку элементы РЬ и Т не имеют соответствующих радиоактивных изотопов для применения ИНАА, для этих и ряда других элементов предполагается использовать инструментальный протонный активаци-онный анализ.
Одно из основных требований к качеству метода измерения состоит в том, чтобы иметь чувствительность ниже допустимого уровня (ДУ) загрязнителей. Значения пределов чувствительности, представленных в табл. 1 и 2, отражают умеренные условия проведения экспериментов и технические характеристики оборудования в ФГБУ «Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"». При необходимости эти условия до некоторой степени можно изменить в сторону увеличения чувствительности (увеличивая время облучения и/или гамма-спектрометрического анализа).
Из данных табл. 1 и 2 следует, что для РЬ метод ЯААМ не обладает достаточной чувствительностью. Результаты, полученные в настоящей работе, находятся в хорошем согласии с результатами работы [4].
Применение ядерно-активационных аналитических методов к контролю наночастиц в пищевой цепочке
Развитие нанотехнологий и быстрый рост количества продуктов, содержащих НЧ, поднимает проблему обеспечения их безопасности для человека и окружающей среды. В последние 10-20 лет производство и потребление НЧ серебра и титана (в виде ТЮ2) резко возросло в различных отраслях промышленности, в том числе в пищевой и фармацевтической.
Это диктует необходимость развития методов изучен ия биокин етики НЧ в орган изме лабораторн ых животных с основным вниманием к их поступлению с пищей и водой. Одной из главных задач исследования является количественная оценка характеристик преодоления биологических барьеров, с особым вниманием к гема-тоэнцефалическому барьеру и проникновению НЧ через плаценту и грудное молоко [7-9].
Одной из целей проводимых исследований биокинетики НЧ, поступающих в организм экспериментальных животных с пищей или водой, является получение экспериментальных данных по поглощению, биораспределению и бионакоплению НЧ для последующего
Таблица 1. Результаты применения ядерно-активационных аналитических методов (ЯААМ) для контроля пищевых продуктов животного происхождения, отобранных в центральной части европейской территории России [результаты настоящей работы (для творога) и данные работы [4]]
Химический элемент Предел чувствительности 6ш, мкг (в ЯААМ) Допустимый уровень (ДУ) [11] и реальное содержание, мг/кг
мясо, яйца и их продукты молочные продукты
ДУ содержание [4] ДУ содержание [4]
Аэ 10-3-10-2 0,1-0,6 <0,01 0,02-0,2 <0,01
РЬ 1 0,3-1,0 0,04±0,02 0,1-0,3 <0,02
Cd 3x10-2 0,01-0,05 <0,05; 0,04±0,01* 0,03-0,1 <0,01
Сг 10-2 - 0,04±0,02 0,1 0,04±0,02 [4]
Бе 10-2 - 0,08±0,01**; <0,02 0,5 <0,01 <0,02 [4]
Zn 10-2 - 20-50 (±5) 5-10 4,0±1,5; 5,0±1,5 [4]
Химический элемент Предел чувствительности 6ш, мкг (в ЯААМ) Допустимый уровень (ДУ) [11] и реальное содержание, мг/кг
ДУ содержание
листовые овощи [4] кукуруза[4] картофель яблоки [4]
Аэ 10-3-10-2 0,2 0,02±0,01 0,06±0,02 0,01 ±0,002 <0,005
РЬ 1 0,5 0,23±0,03 <0,02 <0,02 0,06±0,01
Cd 10-2 0,03 <0,01 <0,01 0,01 ±0,002 <0,01
Сг 10-2 - 0,32+0,06 0,84+0,2 0,06+0,03 [4] 0,04±0,01
Бе 10-2 - <0,05 <0,05 <0,02 <0,05 [4] <0,05
Zn 10-2 - 7±3 16±8 3±2; 4±2 [4] 0,3+0,04
* - яйца; ** - мясо.
Таблица 2. Результаты применения ядерно-активационных аналитических методов (ЯААМ) для контроля пищевых продуктов растительного происхождения, отобранных в центральной части европейской территории России [результаты настоящей работы (для картофеля) и данные работы [4]]
развития математических моделей биокинетики. Такие модели должны устанавливать связь между дозами НЧ, вводимых в организм, и эффектами, которые обусловлены накоплением НЧ в органах и тканях, как разового поступления, так и в случае множественной (подострой или хронической) экспозиции [8].
Из двух вариантов активационного анализа - активации до или после введения НЧ в организм животного -привилегированным или даже единственно возможным вариантом является предварительная активация НЧ. Этот выбор особенно важен для НЧ, содержащих биогенные элементы с высоким естественным содержанием в организме (железо, цинк, селен и др.).
Активационный анализ с использованием быстрых протонов
Для выполнения биологической части эксперимента был подготовлен радиоактивный препарат - коллоидный раствор НЧ TiO2 объемом 25 см3 плотностью 10 мг/см3 (по TiO2) и активностью 29 кБк/см3 (2,9 кБк/мг TiO2). Эта величина удельной активности используется для расчета содержания НЧ TiO2 в органах животного.
Биологическая часть эксперимента была проведена в ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России на 4 экспериментальных группах (по 3-5 особей в группе) и контрольной группе (4 особи) крыс-самцов линии Вистар с исходной массой тела 200-240 г. Животных во время эксперимента содержали в стандартных условиях вивария в специальных клетках, работу на животных выполняли в соответствии с правилами надлежащей лабораторной практики. На фоне стандартного рациона каждой крысе внут-рижелудочно был введен 1 см3 из приготовленного коллоидного раствора НЧ TiO2. Перед введением крысам суспензию НЧ обрабатывали в течение 15 мин ультразвуком для разрушения в ней агломератов НЧ. Через требуемое время после введения суспензии НЧ животных каждой группы выводили из эксперимента путем эфирной наркотизации. Органы у крыс извлекали через 4 временных интервала, отсчитываемых от момента ввода суспензии: через 4, 24, 48 и 120 ч. Были приготовлены биологические образцы: кровь, мозг, желудок, тонкую и толстую кишку, почки, печень, кал, моча. Извлеченные органы взвешивали, измеряли активность радиоактивной метки в них на высокочувствительной спектрометрической аппаратуре [спектрометр («Canberra», США) в составе: полупроводниковый детектор GC4018, цифровой многоканальный анализатор DSA-1000, компьютер и программное обеспечение Genie-2000 - Genie S501, Genie S502].
Расчет содержания НЧ TiO2 в органах экспериментального животного через измеренную активность показал чрезвычайно слабое проникновение НЧ TiO2 через желудочно-кишечный тракт. Их содержание в крови в максимуме (примерно через 24 ч) достигло 0,002% от введенного в желудок количества (ошибка измерения «12%). Примерно такое же количество НЧ TiO2 было обнаружено и в печени. Возможное содержание НЧ TiO2
в других органах оказалось ниже порога чувствительности, равного примерно 30 нг ТЮ2 в данных условиях эксперимента.
В плане практической реализации подобного метода уместно упомянуть исследование биокинетики НЧ ТЮ2 при их ингаляционном введении в организм экспериментальных животных (крыс). Оно было проведено в Германии с использованием ЯААМ с активацией Т быстрыми протонами [10].
Наши результаты по исследованию биокинетики НЧ ТЮ2 при их пероральном поступлении и результаты работы [10] показывают, что возможным критическим путем проникновения исследуемых НЧ в организм животного является не пероральное, а ингаляционное поступление.
Эксперимент по исследованию биокинетики наночастиц серебра с использованием инструментального нейтронного активационного анализа
В исследовании использовались НЧ серебра «АгдоуИ-С» (НПЦ «Вектор-Вита», РФ), стабилизированные поливи-нилпирролидоном. Размер и возможный процесс агрегации исследовали с использованием метода динамического рассеяния света [5]. Данные исследования показали, что НЧ были не агрегированы, а средний размер НЧ составлял примерно 34 нм, что находилось в хорошем согласии с данными производителя.
Экспериментальные исследования были проведены на белых лабораторных нелинейных мышах-самцах вНК исходной массой тела 25-30 г с соблюдением требований регламентирующих документов по лабораторной практике [11-13]. Животных во время эксперимента содержали в стандартных условиях вивария в специальных клетках со стандартным рационом питания в условиях 12-часового цикла «день-ночь».
Изучение процессов биокинетики НЧ серебра проводили в двух вариантах: 1) после разового перорального введения в количестве 100 мкг (6 мышей); 2) после длительного ежедневного перорального введения НЧ серебра в количестве 100 мкг/сут в течение 2 мес и после введения дистиллированной воды в течение одного последующего месяца после отмены введения НЧ (6 мышей). В каждом варианте также использовали контрольные группы по 2 особи. НЧ перорально вводились (в виде коллоидного раствора НЧ концентрацией 0,5 мг/см3).
В соответствии с планом эксперимента мышей подвергали анестезии и проводили забор органов (головной мозг, печень, кровь, почки) и гравиметрические измерения масс всех органов. После чего органы подсушивали в течение 24 ч в сушильном шкафу при температуре 70 °С до состояния вяленых пищевых продуктов.
Одновременно с контрольными и экспериментальными образцами проводили подготовку эталонных образцов, содержащих известное количество серебра.
Дальнейшую работу с образцами, включая облучение на реакторе, измерение активности радиоактивной
120
■ 100
80
60
а 40
20
Кровь
Мозг
Печень
Рис. 1. Максимальная концентрация серебра в органах мышей после разовой пероральной инъекции наночастиц серебра «Argоvit-C» в количестве 100 мкг
1000
500
Кровь
Мозг
Печень
Рис. 2. Концентрация серебра в организме мышей после длительного ежедневного перорального введения наночастиц серебра «Argovit-C» в количестве 100 мкг/сут в течение 2 мес (светлые столбики) и после введения дистиллированной воды в течение одного последующего месяца после отмены введения наночастиц (темные столбики)
метки 110тАд в них на высокочувствительной спектрометрической аппаратуре и обработку результатов, проводили в соответствии с руководством [5].
Некоторые примеры результатов исследования биокинетики НЧ Ад в экспериментах на мышах вНК методом ИНАА представлены на рис. 1 и 2.
Метод ИНАА может быть использован и для оценки активности изотопа 5^е - продукта наведенной активности в атомах железа, которое содержится в основном в составе гемоглобина периферической крови. Данные по активности этого изотопа могут быть использованы при оценке доли НЧ серебра, содержащихся в капиллярах головного мозга [12].
Из полученных результатов можно видеть, что НЧ серебра могут преодолевать гематоэнцефалический барьер, а также что скорость выведения из организма НЧ серебра из крови и печени после отмены инъекции НЧ довольно высока (около 80 и 75% в месяц, соответственно), а скорость выведения НЧ серебра из мозга крайне низка («6% в месяц).
Заключение
Таким образом, методы детектирования химических элементов ЯААМ и РФА могут быть использованы для измерения содержания токсичных элементов, а также микроэлементов в пище, пищевых цепях или других образцах с целью гигиенической оценки качества и безопасности.
Для некоторых элементов (Т1, РЬ и др.) необходимо использовать ЯААМ, основанный на активации быстрыми заряженными частицами, или РФА.
Развиваемые методы ЯААФ и РФА определения химических элементов в разных средах предлагается использовать в целях:
• контроля качества и безопасности пищевых продуктов в части обнаружения токсичных элементов, а также микроэлементов;
• исследования на лабораторных животных биокинетики НЧ, поступающих с пищей и водой.
Ядерно-активационные аналитические методы и РФА являются полезным дополнением к другим, неядерным, методам анализа. Благодаря своим свойствам (простота подготовки проб, неразрушающий метод, возможность определения массового содержания элементов как в микро-, так и в макрообразцах) эти методы могут иметь некоторые преимущества при проведении анализа качества и безопасности пищевых продуктов в части достижения необходимой чувствительности и точности. В частности, эти преимущества могут проявиться при анализе образцов с неоднородным содержанием искомых элементов и при исследовании биокинетики контролируемых веществ в организме лабораторных животных при их поступлении из окружающей среды, в том числе с пищевыми продуктами. В ряде исследований биокинетики эссенциальных элементов может быть целесообразное совместное использование ядерных и неядерных методов анализа. В этих случаях каждый из этих методов определяет свой набор физико-химических характеристик контролируемых веществ.
Исследования проведены при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект RFMEFI60414X0114).
Сведения об авторах
Анциферова Анна Александровна - кандидат физико-математических наук начальник лаборатории безопасности нано-технологии и наноматериалов ФГБУ «Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"» (Москва) E-mail: aiyoga@yandex.ru
0
0
Демин Вячеслав Александрович - кандидат физико-математических наук, руководитель Курчатовского комплекса НБИКС-технологий ФГБУ «Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"» (Москва) E-mail: demin.vyacheslav@mail.ru
Демин Владимир Федорович - доктор технических наук, кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Курчатовского комплекса НБИКС-технологий ФБГУ НИЦ «Курчатовский институт» (Москва) E-mail: vfdemin_kiae@mail.ru
Соловьев Владимир Юрьевич - доктор биологических наук, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией анализа техногенных рисков ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России (Москва)
E-mail: soloviev.fmbc@gmail.com
Литература
1. Gmoshinski I.V., Khotimchenko S.A., Popov V.O. et al. Nanomateri-als and nanotechnologies: methods of analysis and control // Russ. Chem. Rev. 2013. Vol. 82, N 1. P. 48-76. 8.
2. Кузнецов Р.А. Активационный анализ. М. : Атомиздат, 1974. 343 с.
3. Frontasyeva M.V. Neutron activation analysis for the life sciences.
a review // Phys. Part. Nucl. Lett. 2011. Vol. 42, N 2. P. 332-378. 9.
4. Gorbunov A.V., Lyapunov S.M., Okina O.I. et al. Assessment of human organism's intake of trace elements from staple Foodstuffs in central region of Russia. Preprint of the Joint Institute for Nuclear Research. Dubna, 2004. 16 p. 10.
5. Demin V.A., Demin V.F., Buzulukov Yu.P. et al. Formation of certified reference materials and standard measurement guides for development of traceable measurements of mass fractions and sizes 11. of nanoparticles in different media and biological matrixes on the 12. basis of gamma ray and optical spectroscopy // Nanotechnol. Russia. 2013. Vol. 8, N 5-6. P. 347-356.
6. Сидорина А.В., Трунова В.А. Учет изменения интенсивности пучка синхротронного излучения при регистрации спектров биологических образцов методом РФА-СИ // Аналитика и конт- 13. роль. 2013. Т. 17, № 1. С. 4-9.
7. Buzulukov Yu.P., Arianova E.A., Demin V.F. et al. Bioaccumulation of silver and gold nanoparticles in organs and tissues of rats stud-
ied by neutron activation analysis // Biol. Bull. 2014. Vol. 41, N 3. С. 255-263.
Demin V.A., Gmoshinski I.V., Demin V.F., et al. Modeling of interorgan distribution and bioaccumulation of engineered nanoparticles (on an example of silver nanoparticles) // Nanotechnol. Russia. 2015. Vol. 10, N 3-4. P. 288-296.
Melnik E.A., Buzulukov Yu.P., Demin V.F., et al. Transfer of silver nanoparticles through the placenta and breast milk during in vivo experiments on rats // Acta Naturae. 2013. Vol. 5, N 3 (18). P. 45-53.
Wolfgang G. Kreyling, Alexander Wenk, Manuela Semmler-Behnke // Report-no (UBA-FB). 001357, Schriftenreihe Umwelt & Gesundheit, 04/2010. URL: http://www.uba.de/uba-info-medien-e/4022.html. ТР ТС 021/2011. О безопасности пищевой продукции. Buzulukov Yu., Antsiferova A., Demin V. et al. The method of radioactive tracer for measuring the amount of inorganic nanoparticles in biological samples // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 98. Article ID 012039; doi: 10.1088/1757-899X/98/1/12039.
Soloviev V.Yu., Antsiferova A.A., Fatkina S.S. et al. Determination of silver nanoparticle concentration ratio in the blood and brain of rats for different administration routes // Nano Hybrids and Composites. 2017. Vol. 13. P. 206-210.
References
Gmoshinsky I.V., Khotimchenko S.A., Popov V.O., et al. Nanomateri-als and nanotechnologies: methods of analysis and control. Russ Chem Rev. 2013; 82 (1): 48-76.
Kuznetsov R.A. Activation analysis. Moscow: Atomizdat, 1974: 343 p. (in Russian).
Frontasyeva M.V. Neutron activation analysis for the life sciences. a review. Phys Part. Nucl Lett. 2011; 42 (2): 332-78. Gorbunov A.V., Lyapunov S.M., Okina O.I., et al. Assessment of human organism's intake of trace elements from staple foodstuffs in central region of Russia. Preprint of the Joint Institute for Nuclear Research. Dubna, 2004: 16 p.
Demin V.A., Demin V.F., Buzulukov Yu.P., et al. Formation of certified reference materials and standard measurement guides for development of traceable measurements of mass fractions and sizes of nanoparticles in different media and biological matrixes on the basis of gamma ray and optical spectroscopy. Nanotechnol Russia. 2013; 8 (5-6): 347-56.
Sidorina A.V., Trunova V.A. Accounting for changes in the intensity of the synchrotron radiation beam when recording the spectra of biological samples by RFA-SR. Analitika i kontrol' [Analysis and Control]. 2013; Vol. 17 (1). P. 4-9 (in Russian).
10.
11. 12.
13.
Buzulukov Yu.P., Arianova E.A., Demin V.F., et al. Bioaccumulation of silver and gold nanoparticles in organs and tissues of rats studied by neutron activation analysis. Biol Bull. 2014; 41 (3): 255-63. Demin V.A., Gmoshinski I.V., Demin V.F., et al. Modeling of interorgan distribution and bioaccumulation of engineered nanoparticles (on an example of silver nanoparticles). Nanotechnol Russia. 2015; 10 (3-4): 288-96.
Melnik E.A., Buzulukov Yu.P., Demin V.F., et al. Transfer of silver nanoparticles through the placenta and breast milk during in vivo experiments on rats. Acta Naturae. 2013; 5 (3, 18): 45-53. Wolfgang G. Kreyling, Alexander Wenk, Manuela Semmler-Behnke. Report-no (UBA-FB). 001357, Schriftenreihe Umwelt & Gesundheit, 04/2010. URL: http://www.uba.de/uba-info-medien-e/4022.html. TR CU 021/2011. On Food Safety. (in Russian) Buzulukov Yu., Antsiferova A., Demin V., et al. The method of radioactive tracer for measuring the amount of inorganic nanoparticles in biological samples. Materials Science and Engineering. 2015; 98: 012039. doi: 10.1088/1757-899X/98/1/12039. Soloviev, V.Yu, Antsiferova A.A., Fatkina S.S., et al. Determination of silver nanoparticle concentration ratio in the blood and brain of rats for different administration routes. Nano Hybrids and Composites. 2017; 13: 206-10.
7.
2
8
3
9
5
6
